Bioproducerea de hidrogen ca o noua sursa de energie

Introducere

Creterea preului petrolului, costurile ridicate de nclzire a spaiilor i locuinelor, creterea rapid a preului energiei sunt cteva din motivele principale pentru care omenirea caut noi surse de energie. Muli productori de energie se orienteaz spre producerea biocombustibililor, ca de exemplu a etanolului drept combustibil de transport. Hidrogenul este un combustibil foarte prietenos cu mediul, arde curat i este foarte eficient. Datorit acestor aspecte hidrogenul ar putea constitui o surs de energie a viitorului nu prea ndeprtat.

Producerea hidrogenului

Producerea hidrogenului cu ajutorul bacteriilor

O metod pentru generarea hidrogenului ar fi convertirea celulozei i a altor materiale biodegradabile direct n hidrogen prin intermediul unor bacterii. Aceste bacterii consum (mnnc) compuii organici i le descompun n protoni i electroni. Dac se plaseaz acest proces ntr-o celul de combustibil adecvat, asemntor unei baterii, atunci se poate genera energie electric.

n interiorul acestei celule de combustibil bacteriile elimin electroni care mai apoi pot circula ntr-un circuit alimentnd un consumator. Electronii recombinnd cu protonii din ap, formeaz hidrogenul. Bacteriile consum mncarea, iar energia produs se amplifica uor, i astfel hidrogenul este obinut prin intermediul reactorului. n figura 1 se prezint schema procesului de producere a hidrogenului din biomas.

Avantajul principal al acestei metode de obinere a hidrogenului este faptul c se consum o cantitate mic de energie comparativ cu metodele convenionale. Descompunerea clasic a apei prin electroliz n oxigen i hidrogen consum o cantitate mult mai semnificativ de energie. Bacteriile de asemenea pot descompune materia organic ceea ce nu necesit deloc energie exterioar suplimentar, dar pentru a obine o cantitate utilizabil de hidrogen este necesar introducerea n sistem a unei cantiti mici de energie ceea ce este doar aproximativ o zecime din cantitatea de energie electric necesar electrolizei apei pentru obinerea hidrogenului.

n acest caz bacteriile furnizeaz marea parte a energiei necesare producerii hidrogenului din materiile organice, deci este necesar un consum adiional sczut de energie pentru a obine gaz n cantitate utilizabil. Hidrogenul cu aceast metod ar putea fi produs n mod localizat i mai apoi mbuteliat sub presiune pentru diferite utilizri ulterioare.

n celula de reacie, oxigenul este inexistent att n camera de anod ct i n camera de catod. Tensiunea necesar producerii reaciei este de aproximativ 0,25 V comparativ cu cea de 1,8 V necesari celulei n cazul electrolizei apei.

2. Producerea hidrogenului prin electroliza apei

Generarea hidrogenului se poate realiza prin descompunerea apei cu diferite metode. Apa (H2O) poate fi descompus de exemplu cu ajutorului curentului continuu (CC). n cazul acesta energia electric este introdus n 2 electrozi, dou elemente de obicei rezistente la coroziune, iar electrozii sunt submersai n ap. n figura 2 se prezint schema de funcionare a unei celule de electroliz pentru producerea hidrogenului din ap.

Pentru ca reacia de descompunere a moleculei de ap n cei 2 compui de baz s se produc la o rat ridicat se pot folosi diferite substane care se amestec i se dilueaz n apa destinat electrolizei.

Folosirea panourilor solare ca i surs de energie rennoibil este o opiune destul de atractiv. Costul acestora ns poate impune unele dificulti de implementare. La fel i necesitatea unei surse de lumin poate fi un impediment negativ.

Dar trecnd de aceste neajunsuri se poate genera hidrogen prin electroliza apei utiliznd energia electric provenit de la panouri solare. Pentru a alimenta aparatura de electroliz de la bordul unui vehicul avem nevoie de panouri solare pe o suprafa ct mai mare avnd n vedere i eficiena sczut a actualelor modele existente pe pia. Figura 3 prezint principiul de funcionare a unei celule dintr-un panou solar pentru convertirea energiei fotonilor n energie electric.

Energia electric acaparat de la panourile fotovoltaice poate alimenta celulele de electroliza a apei fr nici un cost suplimentar de energie. Combustibilul gazos astfel obinut poate fi introdus n rezervoare destinate special depozitrilor sub presiune ridicat (cteva sute de bar). Presiunea necesar comprimrii combustibilului poate fi obinut de la celula de electroliz n sine.

Acesta descompunnd soluia lichid, n stare gazoas, putem obine din 1 litru de ap aproximativ 1800 litri de hidrogen i oxigen amestecat la presiune atmosferic (~1 bar, depinznd de altitudine). Dac cantitatea de gaz produs este direcionat ctre rezervoare, atunci procesul electrolizei va furniza presiunea necesar, fr utilizarea unui compresor adiional.

Cnd un curent continuu este trecut prin apa ce conine o sare conductoare de curent electric, apa se descompune la electrozi.

Hidrogenul este generat la electrodul negativ, iar oxigenul este generat la electrodul pozitiv. Dup ce procesul electrolizei a fost iniiat, volumul de hidrogen gazos format este de dou ori mai mare ca i cel al oxigenului. Deoarece volumul gazelor sub condiii identice este proporional cu numrul moleculelor prezente, acesta exemplific faptul c sunt doi atomi de hidrogen n molecula de ap pentru fiecare atom de oxigen. Un astfel de echipament cu care se poate disocia apa n hidrogen i oxigen este aparatul Hoffmann care este prezentat n figura 4.

Pentru o mai bun conductibilitate electric n acest aparat se poate introduce n ap acid-citric (C6H8O7), hidroxid de potasiu (KOH), sare de mas (NaCl) etc. Cu ct apa este un conductor electric mai bun cu att gazele respective se produc mai repede, dar totodat crete i consumul electric. Aparatul este dotat cu dou elemente cilindrice din sticl n care este coninut att electrolitul, ct i gazele formate. ntr-un cilindru se va forma o cantitate dubl de gaze - acela este hidrogenul, iar n cellalt cilindru va fi oxigenul.

n acest aparat de obicei se folosete Platina (Pt) drept material pentru electrozi pentru o bun rezisten la coroziune. Cele dou gaze pot fi colectate dup generare n dou moduri diferite. Hidrogenul este mai uor ca aerul, deci acesta tinde s se nale, iar oxigenul este mai greu dect aerul i astfel rmne la baza unei eprubete fr s se ridice i s se degaje n atmosfer. Existena hidrogenului se poate dovedi ori cu un detector de gaze pentru hidrogen ori prin simpla aprindere a acestuia.

Arderea hidrogenului produce un sunet aparte, iar viteza de ardere a acestuia n aer nu este foarte ridicat. Prezena oxigenul poate fi dovedit prin introducerea n eprubet a unei buci de lemn care nu arde cu flacr deja ci este numai jar. Acesta dup introducere, dei iniial nu ardea cu flacr, din cauza oxigenului pur se aprinde i arde cu flacr o durat scurt fiindc oxigenul susine combustia.

Concluzii

n acest moment, piaa hidrogenului sub form de gaz valoreaz aproximativ 100 de miliarde de dolari, hidrogenul fiind produs din gaznatural. Hidrogenul este folosit pentru a produce amoniac pentru ngrminte i pentru a rafina substanele petrochimice.

Bibliografie

New Portable Energy Source. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/03/090330111257.htm, 2011.Jack, R., Ambler, Br., Logan, E., Evaluation of stainless steel cathodes and a bicarbonate bufferfor hydrogen production in microbial electrolysis cells usinga new method for measuring gas production http://www.engr.psu.edu/ce/enve/logan/publications/2011-Ambler&LoganIJHE.pdf.Encyclopdia Britannica, Inc., Britannica Illustrated Science Library Energy and movement, Energy resources, Photovoltaic energy, 2011.